多物理场协同作用下MnCoSi基磁制冷材料热效应机制研究

Giant magnetocaloric materials with first-order phase transition nature have great application potential in magnetic refrigeration technique, researching the caloric effect under multiple fields stimulation is of great importance in further enhancing the entropy change and broadening the refrigerating temperature range of these kinds of materials. The present project aims to study the mechanism of caloric effect of MnCoSi based alloys which have the same sign of magnetocaloric and barocaloric effect, under the magnetic field-pressure dual fields stimulation. Through utilizing the in-situ neutron diffraction technique, we could reveal the dynamic evolution process of magnetic and crystalline structure of MnCoSi under magnetic field-pressure dual fields stimulation. By combining the first principle calculation, the evolving of electronic structure could be analyzed further. Due to which, the coupling mechanism among different ordering parameters can be well understood, we can thus establish method to tune the coupling caloric effect by multiple fields stimulation, and enforce the caloric effect. The research would not only help digging the latent heat of first order magnetic transition materials system, but also promote the understanding of multiple fields refrigeration theory; it thus has important application foreground and scientific significance.

一级相变巨磁热效应材料在磁制冷技术中具有广阔的应用前景，深入研究该类材料在多物理场协同作用下的热效应规律和机理，对增大其熵变和拓宽其制冷温区具有重要意义。本项目拟研究磁热和压热效应正相关的MnCoSi合金在磁场-压力协同作用下的相变机制及热效应变化规律和机理。采用原位中子衍射技术研究并揭示磁场-压力协同作用下合金的磁结构和晶体结构演变规律，结合第一性原理计算，细化表征合金在双场协同作用下电子结构演变规律，阐明各个序参量之间的耦合机制，建立多物理场协同作用下耦合热效应的调控方法，增强热效应。项目研究成果不仅有助于发掘一级相变材料体系的相变潜热，而且可以促进多卡制冷理论的发展，具有重要的应用前景和科学意义。

磁制冷技术的发展密切依赖于磁制冷材料的综合性能，进一步探索磁熵变的提高方式、减小热滞并拓宽制冷温区是当前磁制冷材料研究的重要方向，对促进磁制冷技术的发展和应用均具有重要意义。本项目立足于这些需求，结合前期优势工作基础，围绕多物理场协同作用下一级磁-结构相变材料各个序参量的耦合关联机理这一关键科学问题展开研究。通过对具有不同耦合特征的体系采取不同的多场施加路径和方式，探索提高多物理场作用下可逆熵变和拓宽制冷温区的方法，促进多物理场联合制冷技术的应用。得了以下主要进展：.1）揭示了MnCoSi的磁弹耦合机理。通过系统研究合金中电子态、晶格态和自旋态的转变和耦合规律，揭示了MnCoSi合金中磁热效应和压热效应的产生机理：外场诱导的反铁磁态到铁磁态相变过程中的电子熵变。.2）建立了温度-磁场-静液压-磁矩多维图谱，通过数据计算的方式量化了MnCoSi合金中磁矩-静液压场的关系和合金的磁-弹耦合作用，同时计算出了合金基于磁弹耦合作用的耦合热效应。通过同时施加磁场和静液压场的方式，可以增加铁磁态和反铁磁态之间的电子熵变值，从而使该类合金的总熵变增加了35.7%。.3）对比研究了Ni-Co-Mn-Ti合金的磁-结构相变机理。针对MnCoSi和Ni-Co-Mn-Ti这两类具有不同磁-结构相变特征的合金材料，设计出不同的磁场-静液压场双场施加模式，获得了大的可逆熵变，为磁制冷材料性能参数的优化提供了备选方案。